Классификация, способы включения и методики расчета измерительных приборов: вольтметры и амперметры

Электроизмерительные приборы составляют научно-техническую основу современной метрологии, лабораторных исследований и автоматизированного контроля. Ключевое место в этой системе занимают вольтметры и амперметры, с помощью которых выполняется измерение фундаментальных величин — напряжения и силы тока. Правильный выбор конструкции, глубокое понимание параметров внутреннего сопротивления и соблюдение схемы подключения определяют точность получаемых результатов и уровень систематической погрешности.

1. Буквенная маркировка и классификация систем измерительных приборов. Для точной идентификации электроизмерительных устройств применяется нормативная буквенная маркировка. Первая буква в обозначении характеризует физический принцип работы (систему) измерительного механизма:

- М — магнитоэлектрическая система с подвижной катушкой. Отличается высокой чувствительностью, линейной шкалой и минимизированным собственным энергопотреблением.

- Э — электромагнитная система с подвижным сердечником из мягкого железа. Приборы надежны, устойчивы к перегрузкам и универсальны для цепей постоянного и переменного тока.

- Т — тепловая система, функционирующая на основе линейного расширения проводника при разогреве проходящим током.

- С — электростатическая система, работающая за счет пространственного перемещения проводников под действием кулоновских сил.

Второй буквенный символ определяет габаритные размеры корпуса:
- Н — нормальный габарит (диаметр d = 225 мм);
- М — малый габарит (d = 185 мм);
- У — уменьшенный габарит (d = 135 мм);
- Л — микрогабаритная категория («лилипут»).

Дополнительный индекс П означает, что прибор выполнен в деревянном или пластмассовом переносном корпусе для лабораторных работ. Измерители стационарного назначения снабжаются круглыми металлическими или прямоугольными пластмассовыми корпусами.

2. Внутреннее сопротивление и влияние приборов на параметры цепи. Главное требование к измерительной аппаратуре — минимальное искажение естественного режима работы изучаемой цепи. Прибор не должен вносить ощутимых изменений в эквивалентное сопротивление, перераспределять потенциалы или потреблять существенную электрическую мощность.

Идеальным является вольтметр с бесконечно большим внутренним сопротивлением (Rv → ∞) и амперметр с нулевым сопротивлением (Ra → 0).

В высококлассных лабораторных вольтметрах сопротивление на каждый вольт шкалы достигает 150–250 Ом. Для предела измерений 120 В полное внутреннее сопротивление прибора Rv составляет от 18 000 до 30 000 Ом. В щитовых технических устройствах этот показатель равен 50–60 Ом/В. Исключением являются электростатические вольтметры (система С), обладающие практически бесконечным сопротивлением в цепях постоянного тока.

Высокоточные амперметры обладают внутренним сопротивлением порядка сотых и десятых долей Ома и оснащаются массивными контактными зажимами (клеммами) для предотвращения потерь напряжения.

Рис. 153. Схемы измерения сопротивления: I — с погрешностью на проводимость вольтметра; II — с погрешностью на сопротивление амперметра

При вычислении измеряемой величины R по показаниям приборов (R′ = U / I) необходимо использовать точные поправочные соотношения:

1. Для схемы I (вольтметр подключен непосредственно к объекту):

Вольтметр шунтирует исследуемый элемент. Погрешность минимальна при измерении малых сопротивлений (R ≪ Rv).

2. Для схемы II (вольтметр измеряет общее падение напряжения):

Амперметр измеряет ток нагрузки, но вольтметр учитывает дополнительное падение напряжения на самом амперметре. Погрешность минимальна при измерении больших сопротивлений (R ≫ Ra).

Игнорирование поправок на сопротивление приборов технического класса (классы точности 1,5 и 2,5) приводит к серьезным ошибкам. На демонстрационных лабораторных занятиях использование неоптимальных приборов искажает опытные подтверждения закона Ома.

3. Правила и способы включения амперметров и вольтметров. Соблюдение методологии включения обеспечивает сохранность измерительных механизмов и точность снятия показателей.

- Вольтметр всегда подключается параллельно участку цепи, между точками которого требуется определить разность потенциалов.
- Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи.

Рис. 154. I — Схема включения вольтметров в цепь; II — Схема включения амперметров в цепь

На рисунке 154 (I) вольтметры выполняют следующие функции:
- V1 — определение напряжения на полюсах генератора;
- V2 — измерение падения напряжения на промежуточных точках A и B;
- V3 — измерение напряжения на зажимах приемника C;
- V4 — определение падения напряжения на реостате R.

На рисунке 154 (II) амперметр A1 измеряет общий ток в магистрали, а приборы A2 и A3 — силу тока в ветвях A и B.

Подключение амперметра параллельно источнику тока недопустимо: из-за малого сопротивления Ra возникает короткое замыкание, ведущее к повреждению прибора. Амперметры следует коммутировать проводниками достаточного сечения с надежной затяжкой всех контактов.

4. Особенности вольтметров, реагирующих на ток и напряжение. По своей физической природе большинство обычных вольтметров являются чувствительными миллиамперметрами (гальванометрами), измеряющими ток Iv, протекающий через прибор. Поскольку при постоянном внутреннем сопротивлении Rv падение напряжения прямо пропорционально току:

Iv = U / Rv

Шкалу такого гальванометра градуируют непосредственно в вольтах.

Напротив, электростатические вольтметры реагируют строго на разность потенциалов (напряжение) без протекания постоянного тока. При отсутствии утечек они не потребляют энергии из цепи (за исключением момента заряда собственной емкости).

Электростатические устройства незаменимы при измерениях на высоких напряжениях (от 500–1000 В до 15 000 В), а также для работы с конденсаторами. Из-за слабой чувствительности на низких напряжениях (до десятков вольт) их практическое применение ограничено.

5. Способы расширения пределов измерений вольтметров. Для расширения диапазона измерений вольтметров применяются добавочные сопротивления или измерительные трансформаторы напряжения.

Расчет добавочных сопротивлений. Добавочное сопротивление Rдоб изготовляется из манганинового провода с низким температурным коэффициентом и включается последовательно с прибором.

Рис. 155. Принципиальная схема вольтметра с добавочным сопротивлением

В стационарных приборах добавочные резисторы наматываются бифилярным способом на катушки для исключения собственной индуктивности.

Рис. 156. Катушка добавочного сопротивления

В многопредельных устройствах применяется схема с несколькими отводами от общей клеммы «+».

Рис. 157. Схема многопредельного вольтметра

Если шкала содержат N0 = 150 делений, а на клемме указан номинал Uном = 3 В, цена деления Cv составляет:

Cv = Uном / N0 = 3 / 150 = 0,02 В/дел.

Методика градуировки и вычисление коэффициента расширения. Для определения коэффициента k используются два метода:

1. Для равномерной шкалы: Вольтметр подключают к источнику с напряжением U1. Последовательно вводят магазин сопротивлений Rx и добиваются уменьшения показания до величины:

U2 = U1 / k

Необходимое добавочное сопротивление вычисляется по формуле:

Rx = Rv · (k − 1)

2. Для неравномерной шкалы: Вольтметр сначала подключается к напряжению U1. Затем прибор с последовательным магазином сопротивлений подсоединяется к повышенному напряжению U2 = k · U1, и изменением Rx стрелка возвращается на деление U1.

Итоговый результат измерения получается умножением показания прибора на кратностный коэффициент k (выбираемый равным 2, 5 или 10).

Применение измерительных трансформаторов напряжения. В цепях переменного тока высокого напряжения для расширения пределов вольтметров электромагнитной (Э) и тепловой (Т) систем применяют измерительные трансформаторы напряжения (ИТН).

Рис. 158. Устройство измерительного трансформатора напряжения

Рис. 159. Схема включения вольтметра через измерительный трансформатор напряжения

Первичная обмотка T1 подключается параллельно измеряемому участку цепи, а к вторичной обмотке T2 подсоединяется вольтметр. Действительное напряжение цепи рассчитывается с учетом коэффициента трансформации kт:

Uдейст = Uизм · kт

Применение ИТН расширяет пределы измерений и обеспечивает гальваническую развязку, защищая обслуживающий персонал от высокого напряжения.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.